水下声波周界入侵探测系统及方法与流程

本发明属于水下声波周界防护技术领域，具体涉及一种水下声波周界入侵探测系统及方法。

背景技术：

现有水下声波周界防护手段，以多个浮球声呐装置浮于海面连接成防护线为主，浮球声呐装置利用声音反射波原理，受水底地形，水底环境影响较大，且成本较高，由于浮球声呐装置浮于海面，目标明显，易被破坏。另外，现有声呐系统对蛙人、游泳者等小目标入侵探测灵敏度低，易当成噪音被抑制。

有鉴于此，急需一种安装简单，探测准确度高，适用性强，成本适中的水下声波周界入侵探测系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水下声波周界入侵探测系统，以解决上述技术问题。

本发明提供了一种水下声波周界入侵探测系统，包括声波发射装置、声波接收装置及分析处理装置；

所述声波发射装置及声波接收装置分别垂直插置于待防护水下区域周界两端，所述发声单元与所述拾音单元呈对视状态；

所述声波发射装置用于发射声波信号，通过将所述声波发射装置与声波接收装置之间的水作为传声介质，以直射波的形式传输至所述声波接收装置，形成覆盖水面至水底纵向防护的声波墙；

所述分析处理装置与所述声波接收装置通信，用于当有移动目标穿过所述声波墙时，对所述声波信号进行检波，基于声波信号变化特征分析得出水下声波周界入侵探测结果。

进一步地，所述声波发射装置由多个发声单元直线排列组成直线型声波发射阵列。

进一步地，所述声波接收装置由多个拾音单元直线排列组成直线型拾音阵列。

进一步地，该系统还包括与所述分析处理装置连接的报警装置，所述报警装置用于当所述探测结果为有目标入侵时，进行报警提示。

进一步地，所述分析处理装置包括：

锁相环选频电路，用于提取所述声波信号中指定频率的调幅载波信号；

时序采样电路，用于根据调幅载波信号的频率输出方波信号；

峰谷值镜像跟踪采样电路，用于根据所述方波信号，对提取的调幅载波信号进行同步峰谷值镜像跟踪，即同步跟踪调幅载波信号的峰谷值，还原出该调幅载波信号的变化幅度，对应生成与该调幅载波信号一致的镜像载波信号，并利用与载频同步的脉冲信号对镜像载波信号的峰谷值电压信号进行采样保持；

差分放大电路，用于对所述峰谷值镜像跟踪采样电路采样保持后的峰谷值电压信号进行差分运算，输出调幅检波信号。

进一步地，所述时序采样电路根据调幅载波信号的频率输出多种不同采样时序的方波信号。

进一步地，所述峰谷值镜像跟踪采样电路包括多个模拟开关、多个比较器、射随器和多个电容。

进一步地，所述峰谷值镜像跟踪采样电路利用电路中电容的充放电效应还原出调幅载波信号的变化幅度以对应生成与原信号一致的镜像载波信号。

进一步地，通过采样时序电路控制相应的模拟开关闭合或断开，从而对电路中的电容充电的峰值电压以及放电的谷值电压进行采样。

本发明还提供了一种水下声波周界入侵探测方法，包括：

在待防护水下区域形成覆盖水面至水底纵向防护的声波墙；

在有移动目标穿过所述声波墙时，对所述声波信号进行检波，基于声波信号变化特征分析得出水下声波周界入侵探测结果。

与现有技术相比本发明的有益效果是：该系统安装简单，探测准确度高，适用性强，成本适中。

附图说明

图1是本发明水下声波周界入侵探测系统的结构示意图。

图2是本发明水下声波周界入侵探测系统分析处理装置的结构示意图；

图3是原始调幅载波信号的示意图；

图4是叠加干扰信号后的调幅载波信号的示意图；

图5是根据信号频率产生的四种不同时序的方波信号的示意图；

图6是本发明的峰谷值镜像跟踪采样电路的原理图；

图7是本发明的差分放大电路的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供了一种水下声波周界入侵探测方法，包括：

在待防护水下区域形成覆盖水面至水底纵向防护的声波墙；

在有移动目标穿过所述声波墙时，对所述声波信号进行检波，基于声波信号变化特征分析得出水下声波周界入侵探测结果。

参图1所示，本实施例针对上述探测方法提供了一种水下声波周界入侵探测系统，包括声波发射装置1、声波接收装置2及分析处理装置3，声波发射装置1由多个发声单元直线排列组成直线型声波发射阵列，声波接收装置2由多个拾音单元直线排列组成直线型拾音阵列。声波发射装置1及声波接收装置2分别垂直插置于待防护水下区域周界两端，发声单元与拾音单元呈对视状态，声波发射装置1及声波接收装置2的长度根据水底深度进行适配。声波发射装置1用于发射声波信号，通过将声波发射装置1与声波接收装置2之间的水作为传声介质，以直射波的形式传输至声波接收装置2，形成覆盖水面至水底纵向防护的声波墙。声波接收装置2将声波信号传输给分析处理装置3。分析处理装置3与声波接收装置2通信，用于当有移动目标穿过声波墙时，对声波信号进行检波，基于声波信号变化特征分析得出水下声波周界入侵探测结果。

在本实施例中，该系统还包括与分析处理装置3连接的报警装置4，报警装置4用于当探测结果为有目标入侵时，进行报警提示。报警装置4可采用声光报警装置。

本实施例中声波发射装置与声波接收装置采用分体式结构，在需防护的水下区域周界两端分别将声波发射装置及声波接收装置垂直插置入水中，并保证发声单元与拾音单元为对视状态，声波发射装置发出特定的声波信号，通过发射与接收装置之间的水作为传声介质，以直射波的形式传输到声波接收装置，由于发射与接收装置为线状垂直安置于周界两端，可形成覆盖水面至水底纵向防护的声波墙，当有移动目标穿过声波墙时，分析处理装置通过对声波信号进行检波，并分析出入侵目标穿越声波墙的特有信号变化，并控制报警装置进行报警响应。该系统安装简单，探测准确度高，适用性强，成本适中。

为了抑制海洋环境带来的噪音，对接收信号的噪音进行有效抑制，对蛙人、游泳者等小目标入侵穿越声波墙产生的变化信号进行有效提取并分析，提高小目标入侵信号检测准确性及灵敏度，本实施例的分析处理装置可采用下述结构。

参图2所述，在本实施例中，分析处理装置3包括：

锁相环选频电路，用于提取声波信号(复合信号)中指定频率的调幅载波信号；

时序采样电路，用于根据调幅载波信号的频率输出不同采样时序的方波信号；

峰谷值镜像跟踪采样电路，用于根据所述方波信号，对提取的调幅载波信号进行同步峰谷值镜像跟踪，即同步跟踪调幅载波信号的峰谷值，还原出该调幅载波信号的变化幅度，对应生成与该调幅载波信号一致的镜像载波信号，并利用与载频同步的脉冲信号对镜像载波信号的峰谷值电压信号进行采样保持；

差分放大电路，用于对所述峰谷值镜像跟踪采样电路采样保持后的峰谷值电压信号进行差分运算，输出调幅检波信号。

参见图3-4所示，图3为原始调幅载波信号，图4是叠加干扰信号后的调幅载波信号，其中x为信号波峰与波谷在某一时间点的幅值差值，t0时刻信号波峰s1与波谷s2的幅值差值为x(t0)，tn时刻s1与波谷s2的幅值差值为x(tn)。

本发明中，所述采样时序电路可以输出多种时序信号，本实施例中，以输出四种时序信号为例进行说明，如图5所示，可输出四种时序信号p1-p4。

作为一个实施例，所述峰谷值镜像跟踪采样电路，可以采用如图6所示的电路以实现，包括模拟开关as1-as6、比较器u1-u2、射随器u3、电容c1-c3。

其中，模拟开关as1、as5、as2、as6的时序信号接收端分别与时序采样电路的p1-p4时序信号输出端连接，模拟开关as1、as2的载波信号输入端与输入复合信号端连接，模拟开关as1载波信号输出端与比较器u1的同相输入端连接，模拟开关as2载波信号输出端与比较器u2的反相输入端连接；电容c1的一端与比较器u1反相输入端、比较器u2同相输入端以及模拟开关as3的电压信号输出端、模拟开关as4的电压信号输入端连接、另一端接地；模拟开关as3的电压信号输入端接5v电压，模拟开关as3的控制信号输入端与比较器u1的输出端连接，比较器u2的输出端连接模拟开关as4的控制信号输入端，模拟开关as4电压信号输出端通过电阻r1与电容c1的接地端连接；模拟开关as4的电压信号输入端与射随器u3的同相端连接，射随器u3的反相端与其输出端连接后与模拟开关as5、as6的载波信号输入端分别连接，模拟开关as5、as6的载波信号输出端分别接电容c2、c3,电容c2、c3的另一端接地。

该图6所示的峰谷值镜像跟踪采样电路可跟踪调幅载波信号的峰谷值，并利用电路中电容的充放电效应还原出调幅载波信号的变化幅度，对应生成与原信号一致的镜像载波信号；通过采样时序电路控制相应的模拟开关闭合或断开，从而对电路中的电容充电的峰值电压以及放电的谷值电压进行采样，采样结束后输出峰谷值电压信号至差分放大电路处理。

该图6所示的峰谷值镜像跟踪采样电路的工作流程如下说明：

采样时序电路发出特定频率的时序信号p1使模拟开关as1闭合，信号传输至比较器u1的同相输入端等待比较，同时模拟开关as1控制模拟开关as3闭合，5v电压对电容c1开始充电，由于电容c1与比较器u1反相输入端、比较器u2同相输入端相连，所以电容c1电压的瞬时值为比较器u1反相输入端的电压值，比较器u1同相输入端与反向输入端开始进行电压比较，当比较器u1同相输入端电压大于反相输入端电压时，比较器u1输出高电平，模拟开关as3保持闭合状态，5v电源持续为电容c1充电；当比较器u1同相输入端电压小于反向输入端电压时，比较器u1输出低电平，模拟开关as1、模拟开关as3断开，电容c1充电结束，此时电容c1的电压为充电最高值(峰值电压)。

采样时序电路发出特定频率的时序信号p2使模拟开关as5闭合，电容c1的峰值电压传输至电容c2进行电压存储。当采样时序电路发出时序信号p3的上升沿到来时；时序信号p2产生下降沿使模拟开关as5断开。

采样时序电路发出特定频率的时序信号p3使模拟开关as2闭合，信号传输至比较器u2的反相输入端等待比较，同时模拟开关as2控制模拟开关as4闭合，电容c1的峰值电压开始放电，由于电容c1与比较器u1反相输入端、比较器u2同相输入端相连，所以电容c1电压的瞬时值为比较器u2同相输入端电压值，比较器u2同相输入端与反向输入端开始进行电压比较，当比较器u2同相输入端电压大于反相输入端电压时，比较器u2输出高电平，模拟开关as5保持闭合状态，电容c1继续保持放电；当比较器u2同相输入端电压小于反向输入端电压时，比较器u2输出低电平，模拟开关as2、模拟开关as4断开，电容c1放电结束，此时c1的电压为放电最低值(谷值电压)。

采样时序电路发出特定频率的时序信号p4使模拟开关as6闭合，电容c1的谷值电压传输至电容c3进行电压存储，当采样时序电路发出时序信号p1的上升沿到来时；时序信号p4产生下降沿使模拟开关as6断开。

存储于电容c2、电容c3中的峰谷值电压信号传输至差分放大电路中进行做差放大。

本发明中，所述差分放大电路，在接收峰谷值镜像跟踪采样电路输出的峰值电压信号、谷值电压信号，将信号进行差分放大运算，进行双边带检波调解，输出检波信号，实现双边带检波解调的效果，参见图7所示。

本发明的方法直接实现了峰谷值信号的提取，大大提高了检波灵敏度，同时由于差分放大对共模信号的抑制特别是对强噪音干扰抑制，相比常规带通滤波器及检波技术显著提高了对噪音的抑制能力。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。